高壓mos電晶體的製作方法

2023-11-30 21:13:06

專利名稱：高壓mos電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓MOS電晶體，特別是一種具有多個第一場電極環 的高壓MOS電晶體，並通過施加有源電壓於至少一個該第一場電極環，以 緩和該高壓MS電晶體內的電場變化，以防止該高壓MS電晶體的周邊 崩潰。
背景技術：
今日的電力系統所供給的電大多是頻率為50Hz或60Hz、電壓從100V 到240V不等的交流電壓源，由於機電設備所需的電壓、頻率不一，因此在 機電設備內常利用電子元件的開關動作，配合電感、電容、電阻、變壓器等 被動元件，以達到電源轉換及控制的目的，以供給機電設備所需的電壓及頻 率。例如，新型的空調系統採用主導低壓輸出給內部電子設備的供電系統， 此一供電系統由 一個內部的電源開關調控欲輸出的電壓大小，將來自外部的 電壓大小降至內部機電設備的運作，以供機電設備利用電壓，同時該理想的 電源開關必須具備效率高、重量輕、尺寸小、待機功耗低等多個重要特性。
由於高壓金屬氧化物半導體(high-voltage metal-oxide semiconductor,以 下簡稱HV MOS)電晶體具有開關的特性，故已被廣地應用在中央處理器電 源供應(CPU power supply)、 電管理系統(power management system)、 直流/ 交流轉換器(AC/DC converter), LCD與等離子體電視驅動器、車用電子、電 腦周邊、小尺寸直流馬達控制器、以及消費性電子產品等領域。
一般來說，來自HVMOS電晶體外部的電源多以交流電的形式供應，考 量到交流電的振幅變化，平均電壓為240V的交流電源在瞬間的電壓差將可 能高達600V或以上，將超過大多數現存HV MOS電晶體的崩潰電壓 (breakdown voltage),而造成HV MOS電晶體的損壞，因此，當務的急必須 設計出在高壓環境下仍可正常運作的HV MOS電晶體，以符合實務上的需 求。

發明內容
本發明涉及一種高壓MOS電晶體，特別是一種在基底上方設有多個場
電極環的高壓MOS電晶體，並通過施加有源電壓於至少一個該場電極環， 以改變基底內的電場，以防止高壓MOS電晶體的周邊崩潰。
為達上迷目的，本發明提供一種高壓MOS電晶體，其包含具有第一導 電性的基底、具有第二導電性的源極摻雜區(source)、具有該第二導電性的漏 極摻雜區(drain)、至少第二摻雜區以及一 包圍該第二摻雜區的第三離子阱。 此外，高壓MOS電晶體還包含有設於部分的該第三離子阱上的絕緣物以及 設於該源極摻雜區與該絕緣物間的該基底表面的柵極介電層，且該柵極介電 層表面設有延伸到該絕緣物上的柵極。該高壓MOS電晶體還包含第一介電 層，覆蓋該柵極、這些摻雜區及該絕緣物，同時該第一介電層上設置有多個 第一場電極環(field plate ring)以及橫越這些第一場電極環的第一導電層(first conductive layer),其中該第一導電層具有電連接該漏極摻雜區的第一端、與 至少 一該第 一場電極環電連接的第二端以及電連接連接墊的第三端。
本發明的特點在於通過第 一導電層、漏極、和第 一場電極環間的電連接， 使第一場電極產生電場，緩和高壓MOS電晶體在運作時，基底內第二摻雜 區與第三離子阱間鄰近漏極的交界面附近電場過於集中的現象，因此本發明 的高壓MOS電晶體的崩潰電壓可達700伏特(V)以上，並具有超越已知HV MS電晶體承載電壓的能力。


圖1及圖2為依據本發明的第一優選實施例所繪示的一高壓MOS晶體 管的結構示意圖。
圖3為依據本發明的第二優選實施例所繪示的另一高壓MOS電晶體的 結構示意圖。
圖4為依據本發明的第三優選實施例所繪示的又一高壓MOS電晶體的 結構示意圖。
圖5與圖6為依據本發明的第四優選實施例的再一高壓MOS電晶體的 示意圖。
圖7為繪示本發明的高壓MOS電晶體運作時電場及電壓的關係圖。 附圖標記說明
100、 200、 300、 400 高壓MOS電晶體 40 基底 42場氧化層44源極摻雜區
46柵極48漏極摻雜區
50P型第一摻雜區52P型第一離子阱
53高壓P型離子阱54N型第二離子阱
56深N型第三離子阱58場氧化層
60P型第二摻雜區62柵極介電層
64第一介電層68第一導電層
70a、70b 、70c、70d、70e第一場電極環76第一端
78第二端80連接墊
82第三端84第一端點插塞
86a、86b 、86c、86d第二場電極環88第二介電層
90a、90b 、卯c、90d、卯e第三場電極環94第一導電層
96a、96b 、96c 、96d、96e第一場電極環95第一端
98連接墊102^ — 二山 弟二-而
104第一電壓源106第二電壓源
108第三電壓源l]O第四電壓源
12 第五電壓源
具體實施例方式
為使本領域的技術人員能更進一 步了解本發明，以下列舉出具體實例， 並配合圖示、元件符號等，仔細說明本發明的構成內容及所欲達成的功效。
請參閱圖1及圖2，圖1及圖2為依據本發明的第一優選實施例所繪示 的高壓MOS電晶體的結構示意圖，其中圖1為高壓MOS電晶體的剖面示 意圖，圖2為高壓MOS電晶體的俯視圖，且圖1中A-A'的位置與圖2中 A-A，相對應。高壓MOS電晶體100製作於基底40上，例如P型矽基底， 與相鄰的其他電子元件間由至少一絕緣物所隔絕，例如場氣化層42或至少 一個淺溝槽隔離(STI,圖未示)。高壓MOS電晶體100包含源極摻雜區44、 柵極46以及漏極摻雜區48,其中源極摻雜區44為高濃度N型摻雜區，其 緊鄰於高濃度P型第一摻雜區50,且源極摻雜區44與高濃度P型第一摻雜 區50皆設於P型第一離子阱52中，在場氧化層42下方緊鄰P型離子阱52 處則設有高壓P型離子阱(high-voltagePdoped well) 53。另夕卜，漏極摻雜區 48為高濃度的N型摻雜區，漏極摻雜區48設於N型第二離子阱54中，且
N型第二離子阱54又設於深N型第三離子阱56中，如此，構成三重的梯度 阱結構。如圖1所示，高壓MOS電晶體100設有一絕緣物，其位於部分的 深N型第三離子阱56上，並緊鄰於N型第二離子阱54，且該絕緣物可以是 場氧化層58或是至少一淺溝槽隔離(圖未示)；場氧化層58的下方至少設有 P型第二摻雜區60,其位於P型第一離子阱52與N型第二離子阱54之間， 為簡化說明，圖1僅繪示一個P型第二摻雜區60作為代表，然而本發明的 實施並不局限於此，亦可在P型第一 離子阱52與N型第二離子阱54之間設 置多個P型第二摻雜區60。此外，在源極摻雜區44與場氧化層58間的基 底40表面設有柵極介電層62,例如以沉積或熱氧化工藝形成的氧化矽層， 而高壓MOS電晶體100的柵極46即設置在柵極介電層62上，並且延伸到 場氧化層58上方；同時，高壓MOS電晶體100具有第一介電層64披覆柵 極46、這些摻雜區、這些離子阱及場氧化層58。
如圖1所示，設於高壓MOS電晶體100的基底40的P型第二摻雜區 60在與深N型第三離子阱56鄰接的交界處，因彼此電性上的差異，在P型 第二摻雜區60的右側、左側以及底部分別形成PN結(PN junction),經觀察 發現，高壓MOS電晶體IOO在運作時，位於P型第二摻雜區60左右兩側的 PN結附近會有電場過度集中的現象，尤以位於P型第二摻雜區60右側的 PN結附近特別嚴重，很容易在此處發生電晶體的崩潰效應。為避免崩潰效 應發生，本發明的高壓MOS電晶體IOO還包含多個第一場電極環70a、 70b、 70c、 70d、 70e以及橫跨第一場電極環70a-e第一導電層68,設於第一介電 層64之上；在此，請一併參考圖1及圖2，其中圖2為繪示高壓MOS晶體 管100的俯面示意圖，為簡化說明，本優選實施例中以五個相同線寬大小、 呈同心圓狀排列的第一場電極環70a、 70b、 70c、 70d、 70e作代表，且各場 電極環70a-e的線寬大小、間距及數量可依產品需求更動，在此不另作限制。 如圖2所示，第一導電層68具有至少三個端點分別與高壓MOS電晶體100 內的元件或其周邊的電^各系統電連接，例如連接漏極48的第一端76、連接 第一場電極環70d的第二端78以及連接連接墊80的第三端82，其中連接第 —場電極環70d的第二端78,恰位於N型第三離子阱56與P型第二摻雜區 60接近源極44處的交界面上方，除了與第一導電層68電連接的場電極環 70d外，其他的第一場電極環70a、 70b、 70c、 70e皆可視為浮置(floating)的 元件。
請同時參考圖l及圖2，第一導電層68在第一端76通過第一端點插塞
84自漏極48導入有源電壓，再由電連接第 一場電極環70d的第二端78對第 一場電極環70d施予該有源電壓，利用導電體間的耦合(coupling)，對於P 型第二摻雜區60左側接近源極44的PN結以及位於P型第二摻雜區60右 側接近漏極48的PN結都可發揮其效用，有效緩和兩處電場過於集中的現象， 以避免崩潰(breakdown)效應發生。
除前述的第一優選實施例外，圖3為依據本發明的第二優選實施例所繪 示的高壓MOS電晶體200的結構示意圖，為簡化說明，與第一優選實施例 相同的元件將以相同的元件符號表示。如圖3所示，除具備第一優選實施例 的元件外，在第一場電極環70a-d與場氧化層58間，高壓MOS電晶體200 還包含多個第二場電極環86a、 86b、 86c、 86d,優選的第二場電極環86a-d 系包含多晶矽或與多晶矽電性相似的材料，且第二場電極環86a-d以交錯排 列的方式設置於第 一場電極環70a-e下方。第二優選實施例所示的高壓MOS 電晶體200除可通過第一優選實施例所述以耦合的方式抵消電場外，在本發 明中，亦可直接對第二場電極環86a-d施予有源電壓，緩和位於P型第二摻 雜區60左右兩側的PN結過度集中的電場。
此外，圖4為依據本發明的第三優選實施例所繪示的高壓MOS電晶體 300的示意圖，除第二優選實施例可見的第二場電極環86a-d外，在第一場 電極環70a-e上另設有第二介電層88以及多個第三場電極環90a、 90b、 90c、 90d、 90e，優選的第三場電極環90a-e包含金屬或其他具有導電特性的材料， 且第三場電極環90a-e與第一場電極環70a-e也是呈現彼此交錯設置的排列 方式。當高壓MOS電晶體300運作時，可對第三場電極環90a-e施予有源 電壓(圖未示)，同樣通過耦合的方式，經由第一場電極環70a-e或第二場電 極環86a-d,緩和高壓MOS電晶體300在P型第二摻雜區60左側接近源極 44的PN結以及位於P型第二摻雜區60右側接近漏極48的PN結兩處電場 過於集中的現象。
依據本發明的精神，本發明另披露第四優選實施例，請參閱圖5及圖6, 其繪示第四優選實施例的高壓MOS電晶體的俯視圖，為簡化說明，圖5僅 繪示高壓MOS電晶體所包含的多個第一場電極環％a、 96b、 96c、 96d、 96e 及第一導電層94,其他與前述實施例相同的元件則不再重複說明。第一導電 層94具有與漏極(圖未示)電連接的第 一端96以及與連接墊98電連接的第三 端102，且至少有一個浮置的第一場電極環，如第一場電極環96d，電連接 第一電壓源104,第一電壓源104對第一場電極環96d施予有源電壓，其電
壓值可等於或小於漏極的電壓大小，以緩和下方N型第三離子阱(圖未示)與 P型第二摻雜區(圖未示)的PN結在該高壓MOS電晶體運作時產生的電場集
中的現象。另外，第四優選實施例中浮置的第一場電極環96a-e可分別電連 接不同的外接電壓源，如圖6所示，第一場電極環96a電連接至第二電壓源 106，第一場電極環96b電連接至第三電壓源108,第一場電極環96c電連接 至第四電壓源110，第一場電極環96d電連接至第一電壓源104,第一場電 極環96e電連接至第五電壓源112，而各外接電壓源所提供的有源電壓值可 依實際運作需求作調整，在此並不多作限制。
當本發明的高壓MOS電晶體在運作時，其電場-電位的變化如圖7所示。 依據前述的實施例可得知，這些高壓MOS電晶體通過第一導電層的設置， 將有源電壓施加於至少第 一 場電極環上，透過導電極間的耦合以避免高壓 MS電晶體內的電場過度集中，而維持恆定的電場大小，而高壓MOS晶體 管內的電壓值變化則如圖7所示，自漏極到源極呈現線性遞減的變化；因此， 當本發明的高壓MOS電晶體應用在機件的電力系統時，將可有效地把來自 外部的電壓降至機件內部可運作的電壓大小，以符合其需求。
綜觀本發明的實施例，其目的在於利用至少連接第一場電極環的第一導 電層，在連接處產生相對應的電場，以維持高壓MOS電晶體運作期間內部 電場的恆定，而第一場電極環與第一導電層的接點位置和數量不限於這些優 選實施例所示，可調整為連接二個或二個以上、相鄰或不相鄰的第一場電極 環，且第一場電極環和第一導電層不限於設在同一水平面上，若第一導電層 與場電極環設於不同水平面時，場電極環與第一導電層可透過其他元件，如 第二端點插塞，電連接彼此。在本發明的各實施例中，以設於第一介電層上 方的第一場電極為例施予有源電壓，而不局於此限，在應用上，對第二場電 極環或第三場電極環施予有源電壓，亦可達成與第 一場電極環相同的功效。 此外，本發明所繪示的場電極環系以圓形的同心圓的外型呈現，其外型可更 動為橢圓形、矩形、多邊形或其他合適的形狀，亦具有相同的功能。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的等同變 化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種高壓MOS電晶體，包含具有第一導電性的基底；具有第二導電性的源極摻雜區，設於該基底中；具有該第二導電性的漏極摻雜區，設於該基底中；至少一個具有該第一導電性的第二摻雜區，設於該基底中並位於該源極摻雜區與該漏極摻雜區之間；具有該第二導電性的第三離子阱，設於該基底中並包圍該第二摻雜區；絕緣物，設於部分的該第三離子阱上；柵極介電層，設於該源極摻雜區與該絕緣物間的該基底表面；柵極，設於該柵極介電層表面並延伸到該絕緣物上；第一介電層，覆蓋該柵極、這些摻雜區及該絕緣物；多個第一場電極環，設於該第一介電層之上；以及第一導電層，橫越這些第一場電極環，且該第一導電層具有第一端，電連接該漏極摻雜區；第二端，與至少一個該第一場電極環電連接；以及第三端，電連接連接墊。
2. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS電晶體包 含具有該第 一導電性的第一摻雜區，其設於該基底中並且緊鄰於該源極摻雜 區。
3. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS電晶體包 含具有該第 一導電性的第 一 離子阱，其設於該基底中並包圍該源極摻雜區與 該第一摻雜區。
4. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS電晶體包 含具有該第二導電性的第二離子阱，其設於該基底中並包圍該漏極摻雜區。
5. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該第二端相對應位於該 第三離子阱與該第二摻雜區的交界面上方。
6. 如權利要求5所述的高壓MOS電晶體，其中該交界面為該第二摻雜 區與該第三離子阱間最接近該源極摻雜區的交界面。
7. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS電晶體還 包含設於該絕緣物上的多個第二場電極環，且這些第二場電極環與這些第一 場電極環呈交錯設置。
8. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該絕緣物包括場氧化層或至少一淺溝槽隔離。
9. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該第一導電性為P型， 該第二導電性為N型。
10. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該第一導電層的該第 一端經由第 一端點插塞電連接該漏極。
11. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS電晶體 還包含第二介電層，覆蓋這些第一場電極環與該第 一介電層。
12. 如權利要求11所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管還包含設於該第二介電層上的多個第三場電極環，且這些第三場電極環與 這些第 一場電極環呈交錯設置。
13. 如權利要求1所述的高壓MOS電晶體，其中這些第一場電極環呈 同心圓、橢圓形、矩形或多邊形排列。
14. 一種高壓MOS電晶體，包含 具有第一導電性的基底；具有第二導電性的源極摻雜區，設於該基底中； 具有該第二導電性的漏極摻雜區，設於該基底中；至少一個具有該第一導電性的第二摻雜區，設於該基底中並位於該源極 摻雜區與該漏極摻雜區之間；具有該第二導電性的第三離子阱，設於該基底中並包圍該第二摻雜區；絕緣物，設於部分的該第三離子阱上；柵極介電層，設於該源極摻雜區與該絕緣物間的該基底表面； 柵極，設於該柵極介電層表面並延伸到該絕緣物上； 第一介電層，覆蓋該柵極、這些摻雜區及該絕緣物； 多個第一場電極環，設於該第一介電層之上，且至少一個該第一場電極 環電連接第一電壓源；以及第一導電層，橫越這些第一場電極環，且該第一導電層包含第一端，電連接該漏極摻雜區；以及第三端，電連接連接墊。
15. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管包含具有該第 一導電性的第 一摻雜區，其設於該基底中並且緊鄰於該源極 摻雜區。
16. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管包含具有該第 一導電性的第 一 離子阱，其設於該基底中並包圍該源極摻雜 區與該第一摻雜區。
17. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管包含具有該第二導電性的第二離子阱，其設於該基底中並包圍該漏極摻雜區。
18. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中電連接該第一電壓 源的該第 一場電極環設於相對應於該第三離子阱與該第二摻雜區的交界面上方。
19. 如權利要求18所述的高壓MOS電晶體，其中該交界面為該第二 摻雜區與該第三離子阱間最接近該源極摻雜區的交界面。
20. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管還包含設於該絕緣物上的多個第二場電極環，且這些第二場電極環與這些 第 一 場電極環呈交錯設置。
21. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該絕緣物包括場氧 化層或至少一淺溝槽隔離。
22. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該第一導電性為P 型，該第二導電性為N型。
23. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該第一導電層的該 第 一端經由第 一端點插塞電連接該漏才及。
24. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管還包含第二介電層，覆蓋這些第一場電極環與該第一介電層。
25. 如權利要求24所述的高壓MOS電晶體，其中該高壓MOS晶體 管還包含設於該第二介電層上的多個第三場電極環，且這些第三場電極環與 這些第 一場電極環呈交錯設置。
26. 如權利要求14所述的高壓MOS電晶體，其中這些第一場電極環 系呈同心圓、橢圓形、矩形或多邊形排列。
全文摘要
本發明公開了一種高壓MOS電晶體，其包含基底、絕緣物、源極摻雜區、柵極、漏極摻雜區、多個摻雜區、多個離子阱以及設於該基底上的第一介電層。該高壓MOS電晶體還包含設於該第一介電層上方的多個第一場電極環以及第一導電層，且該第一導電層分別與該漏極以及至少一個該第一場電極環電連接。
文檔編號H01L29/78GK101364612SQ20071014094
公開日2009年2月11日 申請日期2007年8月10日 優先權日2007年8月10日
發明者吳德源, 彭俊雄, 徐尉倫, 李慶民, 蘇潮源, 黃志仁 申請人:聯華電子股份有限公司